Tua bin gió hoạt động như thế nào?


Ngày nay, tuabin gió thường xuất hiện trong cảnh quan của chúng ta. Tuy nhiên, trong khi tất cả chúng ta đều có thể đã nhìn thấy một cái, thì không phải ai cũng hiểu cách chúng hoạt động.

Gió

Tua bin gió được thiết kế để bắt đầu hoạt động ở tốc độ khoảng 12-25 km/h – gió nhẹ hoặc vừa phải. Chúng không được thiết kế để hoạt động với tốc độ trên 88 km/h – một cơn gió mạnh có thể gây hư hỏng tuabin.

Nơi gió gặp cánh tuabin

Khi gió thổi về phía tuabin, nó gặp phải vật cản – cánh tuabin. Cánh tuabin đã phát triển từ những cánh gỗ phẳng, dày mà chúng ta thường liên tưởng đến cối xay gió ở Hà Lan. Hiện nay chúng có kiểu dáng đẹp và được thiết kế công thái học để đạt được hiệu suất tốt nhất. Các cánh quạt phụ thuộc rất nhiều vào tính khí động học của thiết kế và việc thử nghiệm trong đường hầm gió cho phép các nhà thiết kế xác định lỗi và cải tiến thiết kế cánh quạt.

Khí động lực học đề cập đến các đặc tính của một vật thể rắn và cách không khí xung quanh nó tương tác với nó. Khi gió tương tác với một vật thể rắn, vận tốc của gió thay đổi và không khí di chuyển xung quanh vật thể. Ngày nay, các tuabin hiện đại có thiết kế cánh tương tự như cánh của máy bay.
 

Các lưỡi tuabin hơi cong ở một bên và phẳng ở mặt kia. Phần dày hơn của lưỡi dao là nơi gió tiếp xúc đầu tiên với lưỡi dao. Từ đây nó có thể di chuyển dọc theo mặt cong của lưỡi dao hoặc mặt tương đối phẳng. Gió di chuyển dọc theo mặt cong mất nhiều thời gian hơn để đến được đầu cánh so với gió di chuyển dọc theo bề mặt phẳng. Điều này dẫn đến áp suất thấp tích tụ ở mặt cong, ‘kéo’ cánh quạt về vùng có áp suất thấp. Quá trình này được gọi là thang máy.

Các cánh của tuabin bị xoắn khi chúng kéo dài từ rôto đến đầu cánh. Điều này làm tăng lực tác dụng gần đầu, vì đầu chuyển động nhanh hơn nhiều so với ở rôto.
 

Vỏ bọc

Bên trong đầu tuabin (được gọi là vỏ bọc), có một trục tốc độ thấp nối với rôto. Tua bin quy mô lớn thường quay với tốc độ 20 vòng/phút, trong khi tua bin cỡ lớn trong nước có xu hướng quay với tốc độ khoảng 400 vòng/phút.

Trong hầu hết các tuabin quy mô lớn, trục tốc độ thấp được nối với hộp số. Hộp số tăng tốc độ quay của trục, lên tới 1200-1800 vòng/phút. Đây là tốc độ quay cần thiết của hầu hết các máy phát điện để tạo ra mức công suất chấp nhận được.

Hộp số

Hộp số tăng tốc độ quay của một bánh răng bằng cách kết nối với một bánh răng có bán kính nhỏ hơn. Ví dụ, hãy tưởng tượng trục tốc độ thấp được gắn vào một bánh răng có 20 răng, bánh răng này được nối với một bánh răng khác có 10 răng, bánh răng này lần lượt được nối với trục tốc độ cao. Nếu bánh răng 20 răng quay một lần thì bánh răng 10 răng sẽ phải quay hai lần. Do đó trục tốc độ cao sẽ quay với tốc độ gấp đôi tốc độ trục tốc độ thấp.

Máy phát điện

Bên trong máy phát điện là nơi gió được chuyển hóa thành năng lượng điện. Đây là cách nó làm việc;
Rôto quay cùng tốc độ với các cánh quạt và được nối với trục tốc độ thấp quay cùng tốc độ.
Để tăng tốc độ quay của trục, trục tốc độ thấp được nối với hộp số.
Tốc độ quay của trục tốc độ thấp được tăng lên đáng kể nhờ hộp số được nối với trục tốc độ cao.
Trục tốc độ cao quay nhanh hơn nhiều so với trục tốc độ thấp.
Trục tốc độ cao được gắn vào một cuộn dây đồng được gọi là phần ứng bên trong máy phát điện, kết hợp chổi than tuabin phát điện. Phần ứng quay cùng tốc độ với trục tốc độ cao.
Phần ứng được bao quanh bởi một từ trường, được tạo ra bởi các nam châm bên trong máy phát điện. Khi phần ứng quay trong từ trường sẽ tạo ra dòng điện cảm ứng trong cuộn dây đồng.
Điện sinh ra trong cuộn dây đồng sau đó được lấy ra từ máy phát điện.

Vậy là chúng ta đã đi được một chặng đường dài từ chiếc máy phát điện đầu tiên của nhà vật lý Michael Faraday vào năm 1831! Nhưng chúng ta đừng đi sâu vào chi tiết về điện từ trong blog này…

Năng lượng sử dụng được

Máy phát điện trong tuabin gió tạo ra dòng điện xoay chiều (AC). Một số tua-bin chuyển đổi dòng điện xoay chiều này thành Dòng điện một chiều (DC) - Dùng cho động cơ điện một chiều. bằng bộ chỉnh lưu, sau đó quay lại thành dòng điện xoay chiều bằng bộ biến tần. Mục đích của việc này là để tần số và pha của điện phù hợp với tần số và pha được cung cấp bởi lưới điện.

Bằng cách chuyển đổi dòng điện xoay chiều có tốc độ thay đổi do máy phát tạo ra thành dòng điện một chiều rồi quay lại thành điện xoay chiều, tín hiệu điện được chuyển đổi thành pha và tần số giống như tín hiệu do lưới điện tạo ra. Hầu hết các thiết bị điện trong nhà bạn đều chạy ở các điều kiện điện được xác định trước và nguồn điện không ổn định có thể làm hỏng thiết bị điện của bạn.

Tối đa hóa sức mạnh

Tua bin có một số tính năng bổ sung tiện lợi có thể tối đa hóa lượng điện năng được tạo ra. Chúng bao gồm khả năng thay đổi cao độ và ngáp.

Kiểm soát cao độ – Hệ thống kiểm soát cao độ làm thay đổi góc của cánh quạt. Điều này cho phép các lưỡi dao tìm được góc tốt nhất, tạo ra chuyển động quay ổn định an toàn của các lưỡi dao. Bộ điều khiển điện tử của tuabin sẽ kiểm tra công suất đầu ra của tuabin vài lần trong một giây và nếu công suất trở nên quá cao, cơ cấu nghiêng sẽ nghiêng (xoay) các cánh quạt ra khỏi hướng gió. Ngược lại, nếu công suất quá thấp, cơ chế nghiêng sẽ hướng các cánh quạt ngược chiều gió.

Cơ cấu ngáp – Cơ cấu ngáp làm quay vỏ bọc của tuabin, sao cho rôto vuông góc với hướng gió. Trong hầu hết các tuabin quy mô lớn, dữ liệu từ cánh gió được xử lý bằng hệ thống điều khiển và cơ chế ngáp sẽ xoay vỏ bọc cho đến khi rôto vuông góc với gió. Khi rôto hướng về hướng thích hợp, phanh sẽ ăn khớp và giữ cho vỏ bọc hướng về hướng đó.